On the Optimal NOMA Schemes for Future Wireless Networks

On the Optimal NOMA Schemes for Future Wireless Networks. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Dissertation_Omar_Eprint.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 20 August 2022.
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (4MB)

Arabic Abstract

تتطلب التطبيقات الطموحة التي تحتاج معدل إرسال بيانات عالي في المستقبل المنظور مثل الشبكات التي سيتم تطبيقها بعد شبكات الجيل الخامس وشبكات الجيل السادس اللاسلكية حلولاً جديدة، بما في ذلك ظهور هندسة أكثر تقدماً من تلك المستخدمة بالفعل في شبكات الجيل الخامس، وائتلاف من أنظمة الوصول والتقنيات المختلفة لتمكين متطلبات هذه التطبيقات. ومن بين أنظمة الوصول المرشحة للشبكات اللاسلكية المستقبلية أنظمة الوصول المتعدد غير المتعامد التي تسمح بخدمة أكثر من مستخدم واحد في نفس كتلة الموارد. وبهذه الطريقة، تميل أنظمة الوصول المتعدد غير المتعامد إلى تقديم العديد من المزايا بالمقارنة مع أنظمة الوصول المتعدد المتعامدة مثل إنصاف المستخدم، و تحسين الكفاءة الطيفية، وتحقيق كفاءة أفضل في استخدام الطاقة، ودعم الاتصال لعدد كبير من الاجهزة في آن واحد، وانخفاض زمن الوصول. مع هذه المزايا، ينظر على نحو متزايد إلى أنظمة الوصول المتعدد غير المتعامد على أنها أنظمة وصول واعدة للشبكات اللاسلكية في المستقبل. في هذه الأطروحة، نقدم عدد من الأبحاث التقنية التي تشمل دمج أنظمة الوصول المتعدد غير المتعامد مع بعض التقنيات التمكينية للشبكات اللاسلكية في المستقبل. مخرجات هذه الأبحاث التقنية تساعد في تحسين الشبكات اللاسلكية المستقبلية من حيث إنصاف المستخدم، وتحسين كفاءة استخدام الطاقة في النظام، وتقليل استهلاك الطاقة لأجهزة المستخدمين. على وجه الخصوص، تم العمل على ثلاثة أبحاث تقنية وهي كالتالي، أولاً: تم أقتراح نظام مركزي متعدد المستخدمين متعدد النواقل من خلال الدمج بين نظام الوصول المتعدد غير المتعامد مع أنظمة الإتصالات الضوئية المرئية يهدف إلى إنصاف المستخدمين في النظام. ثانياً: تم اقتراح نظام تعاوني متعدد المستخدمين متعدد الهوائيات في المحطة الأساسية من خلال الدمج بين نظام الوصول المتعدد غير المتعامد مع أنظمة الإتصالات التي تستعمل ترددات عاليه (تيراهيرتز) في نقل الاشارات يهدف إلى تحسين كفاءة استخدام الطاقة في النظام. ثالثاً: تم أقتراح نظام تعاوني متعدد المستخدمين متعدد الهوائيات في المحطة الأساسية من خلال الدمج بين نظام الوصول المتعدد غير المتعامد مع أنظمة الإتصالات التي تستعمل ترددات عاليه (تيراهيرتز) في نقل الاشارات وأنظمة الحوسبة المساندة في المحطة الأساسية لخدمة أجهزة المستخدمين التي تحتاج إلى معالجة بيانات ضخمة وتقليل استهلاك الطاقة في هذه الأجهزة. في العمل الأول، تم تطوير نوعين مختلفين من أنظمة الوصول المتعدد غير المتعامد، وهما 1-وجود نظام الوصول المتعدد غير المتعامد لوحده، حيث يتم تجميع جميع المستخدمين في أزواج، 2-ووجود نظام الوصول المتعدد غير المتعامد مع نظام الوصول المتعدد المتعامد. من خلال تحليل هذين النظامين بتغيير معاملات متعددة، تبين أن النظام الثاني يتفوق على النظام الأول من حيث قدرته على تحقيق معدل بيانات أعلى للمستخدمين مع الحفاظ على إنصاف المستخدمين في النظام. في العمل الثاني، من خلال تحليل النظام تم التوضيح أن النظام المقترح الذي يستعمل الترددات العاليه (تيراهيرتز) يتفوق على مثيله الذي يستعمل ترددات متوسطه (الموجات المليمتريه) بنحو 9-20 ضعف من حيث قدرته على تحقيق معدل بيانات أعلى للمستخدمين القريبين من المحطة الاساسية. في العمل الثالث، من خلال تحليل النظام تم التوضيح أن النظام المقترح يمكنه بنجاح التعامل مع متطلبات معدل التفريغ المرتفعة نسبياً (عدة جيجابت/مستخدم) مع إجمالي إستهلاك معقول للطاقة للمستخدمين ضمن المهلة المحددة مسبقاً.

English Abstract

The ambitious high data-rate applications in the envisioned future beyond-fifth generation (B5G) and sixth generation (6G) wireless networks require new solutions, including the advent of more advanced architectures than the ones already used in fifth-generation (5G) networks, and the coalition of different communications schemes and technologies to enable these applications requirements. Among the candidate communications schemes for future wireless networks are non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes that allow serving more than one user in the same resource block by multiplexing users in other domains than frequency or time. In this way, NOMA schemes tend to offer several advantages over orthogonal multiple access (OMA) schemes such as improved user fairness and spectral efficiency, better energy efficiency, massive connectivity support, and low transmission latency. With these merits, NOMA-enabled transmission schemes are being increasingly looked at as promising multiple access schemes for future wireless networks. In this thesis, we provide a couple of works that embrace the integration of the NOMA scheme with some of the enabling technologies of future wireless networks. These works optimize future wireless networks in terms of fairness, energy efficiency, and energy consumption. Particularly, we propose and investigate three works, (i) a multi-user multi-carrier centralized NOMA visible light communications (VLC) system, (ii) a multi-user downlink cooperative Terahertz (THz) multiple-input single-output (MISO) NOMA system, and (iii) a multi-user uplink mobile edge computing (MEC)-assisted cooperative THz single-input multiple-output (SIMO) NOMA system. In the first work, we develop two NOMA variants, namely, NOMA-imposed schemes, where all the users are grouped into pairs, and NOMA-not-imposed schemes; and we illustrate that while varying different network parameters the performance of the NOMA-not-imposed scheme outperforms the performance of the NOMA-imposed scheme in terms of the max-min user rate. In the second work, we illustrate that the developed THz-NOMA cooperative scheme achieves around 9-20 times increase in average cell-center users rate compared to its millimeter-wave (mmWave)-NOMA counterpart. In the third work, we illustrate that the developed scheme can successfully handle relatively high offloading rate demands (several Gbits/user) with a reasonable total users' energy consumption within a predefined latency constraint.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Research > Information Technology
Electrical
Department: College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor: Al-Ahmadi, Saad
Committee Members: Zerguine, Azzedine and Alghadhban, Samir and El-Bassuny, Tarek H.
Depositing User: OMAR ALI MARAQA (g201307310)
Date Deposited: 10 Aug 2022 05:13
Last Modified: 10 Aug 2022 05:13
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142186